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    碳纖維復合材料在大飛機上的應用

    文章出處:網絡責任編輯:管理員人氣:發表時間:2015-06-25【

    碳纖維復合材料(CFRP)有質量輕等一系列優異性能,在飛機制造業中已得到廣泛應用。首先是在戰斗機上的用量與日俱增。例如,美國戰機超級“大黃蜂”(F/A-18E/F)CFRP用量約為19%,法國戰機“陣風”用量約為24%.英國戰機“臺風”(EP2000)用量約為40%。直升飛機也大量采用 CFRP。例如,由哈爾濱飛機制造廠生產的直-9型直升飛機,武裝了駐港部隊和參加了2007年上海合作組織在俄羅斯的反恐軍演,是我國先進的直升飛機。該機復合材料用量已占到60%左右,主要是CFRP。此外,日本生產的“OH-1忍者”直升飛機,機身的40%是用CFRP,槳葉等也用CFRP制造。
    市場需求是碳纖維發展的驅動力。1981年,波音公司提出需求高強度、大伸長的碳纖維,促進了商性能碳纖維的研發步伐。1984年,日本東麗公司率先研制成功T800;1986年,又研發成T1000。隨后,日本東邦、三菱人造絲公司和美國Hexcel公司相繼研制出同類高性能碳纖維,為制造大飛機提供了新型復合材料。從此,CFRP在大飛機上的用量直線上升,同時也促進了碳纖維工業的發展和先進復合材料技術的日趨完善。 本文來自123
    1 高強中模碳纖維和韌性基體樹脂
    通用級T300碳纖維其CFRP可用來制造飛機的二次結構部件。例如,T300/5208用來制造B757、 B767和B777的二次結構部件。但因T300的抗拉強度僅為3.53 GPa,抗拉模量為231 GPa,特別是斷后延長僅有1.5%,滿足不了制造一次結構件的要求。隨后開發成功的高強中模型(Intermediate Modulus)碳纖維在上述3項質量指標有了大幅度提高,在配套韌性環氧樹脂所制高性能CFRP就可用來制造大飛機的一次結構件。表1列出了高強中模碳纖維的主要品牌及性能。

    由表1列出的數據可知,這類高強中模碳纖維的性能比通用級T300有了大幅度提高。我國目前還不能生產這類高性能碳纖維,處于實驗室研制階段,有望在“十一五”期間有所突破。
    通用型環氧樹脂固化后屬于脆性材料,需增韌改性為韌性基體樹脂。高強中模碳纖維與韌性基體樹脂復合后所制韌性CFRP可用來制造大飛機的一次和二次結構件。其中,具有代表性的是T800H/3900-2(P2302)和IM7/8551-7。圖1是制造韌性 CFRP的工藝流程示意圖,圖2是韌性P2302層壓板的截面圖。熱固性樹脂(TS)為母相,熱塑性樹脂(TP)為分散相,兩者均勻混合固化成型。在熱固化成型過程中,TS成為三維交聯體,TP仍保持線性特性,賦予CFRP韌性。這樣可制得韌性CFRP。 T800H/3900-2(P2302)是典型的用來制造大飛機一次和二次結構件的韌性復合材料。所以,除了提高碳纖維性能外,增韌改性基體樹脂仍是國內外研究的熱點課題之一。 123456


    2 韌性CFRP在大飛機上應用需關注的技術關鍵
    隨著碳纖維性能的不斷提高,增韌改性基體樹脂的不斷深入和復合技術的日趨完善,韌性 CFRP在大飛機上的應用逐步拓寬。未來500~600座的大飛機將成為航空客運的主力機型。為此,應關注以下幾個技術課題和解決對策:
    (1)設計允許應變達到0.6%,可用沖擊后抗壓縮強度(CAI)來評價。這就需用高強度、大伸長碳纖維與韌性基體樹脂來復合。例如,T800H/3900-2或IMT/8551-7的韌性預浸料,可達到上述指標。而T300 CFRP的設計允許應變僅為0.3%~0.4%,滿足不了設計要求。

    2)提高抗CFRP的抗沖擊強度,需采用高強度、大伸長碳纖維。例如,T700S斷后延長高達2.1%(表1)。上漿劑中可含有熱塑性塑料微粒,提高其韌性。

    3)提高沖擊損傷后的抗壓縮強度(CAI),需采用高強度、大伸長碳纖維與韌性環氧樹脂復合??刂铺祭w維石墨微晶尺寸,也可提高抗壓縮強度。同時,研究韌性耐熱的熱塑性樹脂,作為新一代韌性基體樹脂。

    內容來自123456


    (4)提高抗層間剪切強度(ILSS),改善兩相界面粘接強度,有效傳遞載荷。同時,采用三維編織物和RTM成型技術,也可有效提高ILSS和防止層間剝落現象。

    (5)提高CFRP的耐熱性,以適應超音速飛行。除提高基體樹脂的耐熱性外,也應關注碳纖維表面上漿劑的濕熱性能。吸濕會降底CFRP性能。

    (6)采用整體成型的先進復合技術來制造大型構件,如體翼一次成型技術。這不僅提高整體復合件的性能,而且可大幅度減少零件數目和緊固件數目,有利于降低生產成本。

    (7)損傷的檢測和大面積無損探傷是安全飛行的保證。采用多種靈敏傳感器和檢測器監控飛機的各項質量指標,做到萬無一失和安全飛行。
     
     

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